Материал: Вплив антропогенного навантаження на функціонування глутатіонової системи у насінні представників роду Acer L

4. Стан глутатіонової системи в насінні представників роду Acerl за дії антропогенного навантаження

.1 Зміни вмісту глутатіону в насінні представників роду AcerL за умов антропогенного забруднення

Стресорні впливи, яких зазнають деревні рослини, позначаються на властивостях насіння [83], зокрема активують у ньому клітинні захисні механізми. Глутатіон-залежна система за дії полютантів була активована у насінні гіркокаштану звичайного [66] та деяких представників роду Acer [82].За толерантністю до висихання під час дозрівання насіння вищих рослин поділяють на ортодоксальне, яке висихає без утрати схожості [72], та рекальцитрантне, яке за низького вмісту вологи втрачає життєздатність і погано зберігається [76; 87]. Функціонування циклу глутатіону за впливу полютантів досліджували в насінні толерантного до висихання виду A. platanoidesта нетолерантного A. pseudoplatanus.

Як показали наші дослідження,за хронічної дії на рослини антропогенного забруднення вміст відновленого глутатіону в насінні A. platanoidesбув суттєво нижчим порівняно зі значенням цього показника у рослин умовно чистої зони (рис. 4.1.1). Найнижчий рівень глутатіону спостерігався у моніторинговій точці 4, де він складав 33,9% від контрольної величини. Дещо вище значення даного параметра встановлено для рослин ділянки № 2 (42,4% від контролю), а найменше зниження вмісту глутатіону в насінніA. Platanoides (48,8%) відзначено для моніторингової точки 3.

Аналіз рис. 4.2.2 свідчить про те, що в насінні A. pseudoplatanus за дії аерогенних полютантів виявлено збереження вмісту GSH порівняно з контролем (96,1% у моніторинговій точці 2) або навіть зростання кількості глутатіону в тканинах зародка, яке має місце у рослин ділянок 3 і 4 (на 17,8 та 45,1% відповідно відносно контрольного значення). Оскільки нетолерантне до висихання насіння при дозріванні зберігає високий рівень метаболічної активності [72; 73; 80; 86], то вплив полютантів, ймовірно, спричинив інтенсифікацію процесів накопичення GSH у насінні A. pseudoplatanus.

Рис. 4.1.1. Вплив антропогенного забруднення на вміст відновленого глутатіону (GSH, мкг/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки:№ 1 - контроль, № 2 -пр. Кирова, № 3-вул. Г. Сталінграду, № 4-пр. Правди

Як видно з рис. 4.1.1-4.1.2, насіннядосліджених нами видів кленів значно різниться за вмістом GSH. Так, в умовах чистої зони концентрація глутатіону в насінні A. platanoidesв 6,9 разів перевищувала значення цього показника уA. pseudoplatanus. Відомо [16;75;80], що толерантність насіння до висихання обумовлюється більш високим рівнем антиоксидантів, тому різниця вмісту GSH вказує на участь відновленого глутатіону у реалізації двома видамикленів різних екологічних стратегій збереження насіння після дозрівання й опадання з материнських рослин.

Однак в забруднених зонах(додаток 1) у цих деревних порід спостерігалися протилежні тенденції в накопиченні глутатіону в тканинах насіння: у першого виду вміст GSH за дії техногенезу падає, а у другого - зростає, або практично не змінюється. Оскільки рослини дослідних ділянок зазнають найбільшого впливу антропогенних забруднювачів, тканини їх вегетативних і генеративних органів повинні адаптуватися до підвищеного рівня окиснювальних речовин, які з’являються внаслідок інтенсифікації пероксидного окиснення ненасичених жирних кислот клітинних мембран. Зафіксований нами низький рівень глутатіону в насінні A. platanoides може свідчити про слабку стійкість цього виду до процесів деструкції, які виникаютьу тканинах насіння за дії аерополютантів.Збільшення ж вмісту антиоксиданту в насінні A. pseudoplatanus, яке спостерігалося нами в моніторингових точках 3 і 4, ймовірно, пов’язане з підвищенням антиоксидантного захисту клітин до дії забруднювальних речовин, оскільки відновлений глутатіон є стабілізатором окисно-відновного гомеостазу клітин і рослинного організму в цілому та показником його відновлювальної та загально-фізіологічної активності.

Рис. 4.1.2. Вплив антропогенного забруднення на вміст відновленого глутатіону (GSH, мкг/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Таким чином, за дії аерополютантів вміст глутатіону в насінні A. platanoidesзначно знижується в усіх моніторингових точках, що свідчить про чутливість цього виду до забруднення важкими металами та токсичними газами.

.2 Стан активності глутатіон-редуктази у насінні A. pseudoplatanusта A. platanoides за впливу антропогенного забруднення

Глутатіон-редуктаза - широко поширений флавоновий фермент, який підтримує високу внутрішньоклітинну концентрацію відновленої форми глутатіону. Здатність рослинних організмів до активації процесів відновлення окисненого глутатіону відіграє важливу роль у процесах підтримання пулу відновленого глутатіону та функціонування всього глутатіонового циклу за дії різних чинників.

Підвищення вмісту GSH обумовлено індукцією процесу його біосинтезу або відновлення окисленого глутатіону за участю GR [86]. За контрольних умов активність GR у насінні A. platanoides в 1,5 рази перевищувала рівень активності ферменту у насінні A. pseudoplatanus (додаток 2), що узгоджується із закономірністю, встановленою для вмісту GSH у насінні двох видів.

Рис. 4.2.1. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-редуктази (GR, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Як видно з рис. 4.2.1, вплив полютантів спричинив зниження активності GR у насінні A. platanoides на 22-50 % від контролю. Таке уповільнення процесу відновлення окисленого глутатіону супроводжувалось зниженням вмісту GSH.

Рис. 4.2.2. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-редуктази (GR, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Навпроти, у насінні A. pseudoplatanus за дії полютантів активність GR зростала на 15-47% від контролю, що забезпечило зростання вмісту GSH. Отже, індукована полютантами активність GR у насінні A. pseudoplatanus перевищувала показники дляA. platanoides в 1,6-1,9 рази.

Таким чином, отримані нами результати свідчили про стимуляцію активності глутатіон-редуктази внасіні клену гостролистого та клену псевдоплатанового із антропогенно забруднених територій міста. Рівень ферментативної активності був різним на дослідних ділянках, які знаходились у різних районах міста. Забрудненість середовища на дослідних ділянках носила комплексний характер і визначалась як промисловими викидами, так і викидами автотранспорту.

4.3 Зміни активності глутатіон пероксидази у насінні A. Pseudoplatanusта A. platanoides за впливу антропогенного забруднення

Глутатіон-пероксидази - ферменти, які у рослинних клітинах відновлюють пероксид водню та низькомолекулярні органічні пероксиди за рахунок окиснення відновленого глутатіону [18]. Ензим є дуже чутливим навіть до низьких концентрацій пероксиду водню, тому його активація свідчить про процеси знешкодження токсиканту.

Активність GPX за контрольних умов у насінні A.pseudoplatanusв 2,3 рази перевищувала показник для A.platanoides (рис. 4.3.1-4.3.2, додаток 3).

Рис. 4.3.1. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-пероксидази(GРХ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Відомо, що функціонування глутатіон-пероксидази забезпечує знешкодження перекису водню, накопичення якого у рослинних клітинах викликає токсичний ефект. При цьому слід зазначити, що глутатіон-пероксидаза дуже специфічна до перекису водню, і реагує навіть на його незначні кількості у рослинах. Крім того, цей фермент бере участь у знешкодженні органічних пероксидів, накопичення яких є наслідком окисного стресу рослинних клітин [33].

При дослідженні глутатіон-пераксидази у насінні A. pseudoplatanus та A. platanoides було з`ясовоно, що активність GPX за контрольних умов у насінні A. pseudoplatanus в 2,3 рази перевищувала цей показник для A. platanoides. Активність GPX у насінні A. platanoides на забруднених моніторингових точках була наближена до контрольного рівня, що вказувало на відсутність змін у процесах відновлення пероксидів за участю GPX.

Рис. 4.3.2. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-пероксидази (GРХ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Активність GPX у насінні A. platanoidesу моніторингових точках була наближена до контрольного рівня, що вказувало на відсутність змін у процесах відновлення пероксидів за участю GPX. У той же час у насінні A. pseudoplatanus із забруднених зон активність GPX на 98-179 % перебільшувала контрольний рівень, що свідчить про значну інтенсифікацію процесів антиоксидантного захисту в насінні.

4.4 Активність глутатіону-S-трансферази у насінні A. pseudoplatanus та A. platanoides за впливу антропогенного забруднення

Відомо, що стійкість рослинних організмів до несприятливих чинників середовища, у тому числі до антропогенного забруднення, визначається комплексом фізіолого-біохімічних властивостей рослин [60; 68], які забезпечують як знешкодження токсикантів, так і відновлення клітинного гомеостазу після стресового впливу.

У рослинних клітинах функціонують складні та багатокомпонентні системи знешкодження токсичних молекул, яке відбувається у декілька етапів [24]. На одному з внутрішньоклітинних шляхів детоксикації завдяки ферменту глутатіон-S-трансферазі до молекули токсиканта приєднується відновлений глутатіон, після чого такий кон’югат переноситься у вакуолю і там блокується.

Відтак, високий вихідний рівень активності глутатіон-S-трансферази або ж збільшення її активності під впливом чинників свідчать про здатність рослинного організму до знешкодження токсикантів і пристосування до умов середовища [18].

Установлено, що активність GST у насінні A. pseudoplatanusв умовах контрольної зони у 5,1 рази перевищувала цей показник для A. platanoides (рис. 4.4.1-4.4.2). У насінні обох видів кленів із забруднених точок активність GST значно перевищувала контрольний рівень, що вказує на посилення процесів метаболічної деградації полютантів у клітинах насіння. Пояснення може полягати у тому, що глутатіон-S-трансферази - це велика родина ферментів, для яких існує понад 3000 субстратів, кожен з яких здатен індукувати зростання глутатіон-трансферазної активності. При цьому може відбуватися експресія синтезу як існуючих молекулярних форм ферменту, так і нових [30].

Відомо, що у рослинних клітинах глутатіон-S-трансферази здійснюють знешкодження токсикантів, які належать до найрізноманітніших хімічних класів [30], і рівень активності ферменту має дозові залежності, принаймні за дії важких металів.

Рис. 4.4.1. Вплив антропогенного забруднення на активністьглутатіон-S-трансферази (GSТ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Рис. 4.4.2. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-S-трансферази (GSТ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 - контроль, № 2 - пр. Кирова, № 3 - вул. Г. Сталінграду, № 4 - пр. Правди

Отже, перебіг реакцій за участю GPX та GST передбачає витрати пулу GSH, внаслідок чого у насінні A. platanoides контрольний рівень відновленого глутатіону за дії полютантів помітно знижувався, як і активність GR. У той же час у насінні A. pseudoplatanus з низьким контрольним рівнем GSH за дії полютантів було активовано процес відновлення окисненого глутатіону за участю GR.

Вказані закономірності підтверджує кореляційний аналіз індукованих полютантами метаболічних змін, який виявив позитивний зв’язок вмісту GSH з активністю GR (r=0,94) та негативну кореляцію з активністю GST (r= - 0,96) у насінні A. platanoides. У насінні ж A. Pseudoplatanus виявлено позитивну кореляцію змін вмісту GSH з активністю GST (r=0,88) та GPX (r = 0,79).

Таким чином, нами установлено видову специфічність рівня накопичення глутатіону та глутатіон-залежних ферментів у насінні деревних рослин як в умовно чистому фітоценозі, так і в антропогенно забруднених штучних лісових екосистемах. У насінні з обома типами толерантності виявлено активацію процесів метаболічного знешкодження полютантів. Відзначені закономірності вказують на ключову роль циклу глутатіону в системі реакцій на вплив полютантів у контрастних за толерантністю до висихання типів насіння та на його участь у реалізації різних стратегій адаптації A. platanoides і A. pseudoplatanus до умов антропогенного забруднення середовища.

Висновки

1.      Установлено видову специфічність рівня накопичення глутатіону та глутатіон-залежних ферментів у насінні представників роду Acer як в умовно чистому фітоценозі, так і в антропогенно забруднених штучних лісових екосистемах. Встановлені закономірності вказують на ключову роль циклу глутатіону в системі реакцій на вплив полютантів у контрастних за толерантністю до висихання типів насіння та на його участь у реалізації різних стратегій адаптації A. platanoides і A. pseudoplatanus до умов антропогенного забруднення.

.        За дії аерополютантів вміст глутатіону в насінні A. platanoides значно знижується в усіх моніторингових точках, що свідчить про чутливість цього виду до забруднення важкими металами та токсичними газами. Підвищення кількості GSH у насінні A. pseudoplatanus порівняно з контролем є адаптивною реакцією рослин цього виду до умов антропогенного навантаження.

.        В умовах хронічної дії полікомпонентного забруднення середовища на досліджені види кленів активність глутатіон-редуктази в насінні A. platanoidesзначно зменшується, а у A. pseudoplatanus - суттєво зростає порівняно зі значенням цього показника у рослин умовно чистої зони, що свідчить про інтенсифікацію процесів антиоксидантного захисту в тканинах насіння цієї деревної породи.

.        Важкі метали (залізо, манган, цинк, ртуть, хром) та токсичні гази (SO₂,NO₂) викликають підвищення активності глутатіон-пероксидази в насінні стійкого до полютантів виду A. pseudoplatanusв усіх моніторнгових точках. Активність ферменту в насінні чутливого виду A. Platanoides зростає лише в моніторинговій точці 2, у рослин інших дослідних ділянок практично не змінюється відносно контрольного рівня GR.

.        Виявлено посилення каталітичної активності глутатіон-S-трансферази у насінні A. platanoidesі A. pseudoplatanusіз забруднених зонвідносно рівня активності ферменту у рослин контрольної ділянки, що відображає активацію внутрішньоклітинних процесів знешкодження молекул токсикантів за участю GST.

.        На основі отриманих результатів нами запропоновано декілька чутливих біохімічних показників насіння представників роду Acer, які можна використовувати як інформативні тест-параметри для фітоіндикації забруднення навколишнього середовища токсичними газами та важкими металами, а також стану рослинності у промисловій зоні міста: вміст глутатіону і активність глутатіон-редуктази (тест-об’єкт A. platanoides).

рослина глутатіон фермент насіння

Перелік посилань

1.   Алексеев В.А. Особенности описания древостоев в условиях атмосферного загрязнения//Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных загрязнителей. Ч.1. - Таллин:АН ЭССР, 1982. - с. 97-115.

2.      Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.

.        Анисимова Г.М., Лянгузова И.В., Шамров И.И. Влияние условий загрязнения окружающей среды на репродукцию расстений // Эмбиология цветковых расстений. Терминология и концепции. Т. 3. / Под ред. Батыгиной Т.Б. - СПб.: Мир и семья, 2000. - С. 532-536.

.        Антипов, В.Г. Стійкість деревних рослин до промислових газів / В.Г. Антипов. - Мінськ: Наука і техніка, 1979 - 216 с.

5.   Арманд А.Д., Ведюшкин М.А., Тарко А.М. Модель воздействияпромышленныхзагрязнений на лесной биоценоз//Влияниепромышленных предприятий на окружающую среду.- М.: Наука, 1987.- С.291-296.

6.      Безель В.С., Жуйкова Т.В. Химическое загрязнение среды: участие травянистой растительности в биогенных циклах химических элементов // Экология. 2007. № 4. С. 259 - 267.

7.   Беляева Л.В., Николаевский B.C. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха и состояние древесных растений // Научные труды Московского лесотехнического института. - 1989. - Вып. 222. - С. 36-47.

8.      Белякова Т.М., Гусейнов А.Н. Техногенное изменениесухостепных ландшафтовпод влиянием предприятий черной и цветной металлургии// Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. - М.: Наука, 1987. - с.119-127.